JP2007151562A - 超音波振動子 - Google Patents

Abstract

【課題】 クロストークや超音波ビームの乱れがない超音波振動子を提供する。
【解決手段】 超音波を送受する超音波振動子エレメント２７が複数配列され、音響整合層２４が積層している超音波振動子において、隣接する超音波振動子エレメント２７間の溝２６の長手方向両側であって振動素子２３と接触しない位置に接着剤（２８）を充填し、溝２６に充填された接着剤（２８）と振動素子２３との間に振動減衰材を充填することを特徴とする。
【選択図】 図５

Description

本発明は、内視鏡等に用いられる超音波振動子に関し、特に、クロストークや超音波ビームの乱れが発生しない超音波振動子に関する。

電子走査式の超音波振動子は内視鏡の体腔内への挿入部に設けられ、これを用いることにより、体腔内のガスや骨の影響なしに良好な画質で消化管壁や膵胆等の深部臓器を明瞭に描出することができる。このような電子走査型振動子で内視鏡に利用されてきたものとして、コンベックスタイプ、リニアタイプ、及びラジアルタイプ等がある。

超音波振動子は、超音波を送受する超音波振動子エレメントが複数配列されるものが一般的であり、振動子の端部の溝部分（互いに隣接する振動子エレメント同士の間隙）にのみ樹脂を充填する方法が開示されている。（例えば、特許文献１参照。）
また、溝の中央を含む数箇所に接着剤を充填する方法が開示されている。（例えば、特許文献２参照。）
特開平８−１０７５９８号公報 特開２０００−２５３４９６号公報

しかし、特許文献１の技術では隣接する振動素子間に比較的大きなクロストークが発生するとともに、振動子を湾曲させるラジアルタイプやコンベックスタイプでは特に不向きであった。

また、特許文献２の技術では、超音波内視鏡のように振動子が小さいものでは、クロストークの増加、ビームパターンの悪化や不均一化など、大きな特性劣化につながる。
また、特許文献１及び特許文献２は共に、数十ミクロンの溝内に均一に樹脂を充填することを必要としているが、それは不可能であり、振動子の小さな超音波内視鏡用の振動子としては特性のバラツキが顕著に現れる。

本発明の課題は、上記従来の実情に鑑み、クロストークや超音波ビームの乱れがない超音波振動子を提供することである。

本発明の第１の超音波振動子は、超音波を送受する超音波振動子エレメントが複数配列され、音響整合層が積層している超音波振動子において、隣接する前記超音波振動子エレメント間の溝の長手方向両側であって振動素子と接触しない位置に接着剤を充填し、
当該溝に充填された接着剤と前記振動素子との間に振動減衰材を充填することを特徴とする。

本発明の第２の超音波振動子は、上記第１の超音波振動子であって、前記接着剤は、前記溝の長手方向両端に充填されることを特徴とする。
本発明の第３の超音波振動子は、上記第１又は第２の超音波振動子であって、前記接着剤は、硬質樹脂であることを特徴とする。

本発明の第４の超音波振動子は、上記第１乃至第３のいずれか１つの超音波振動子であって、前記振動減衰材は前記超音波振動子エレメントの背面に充填されるバッキング材であることを特徴とする。

本発明の第５の超音波振動子は、上記第１乃至第４のいずれか１つの超音波振動子であって、電子ラジアル型超音波振動子であることを特徴とする。
本発明の超音波内視鏡は、上記第１乃至第５のいずれか１つの超音波振動子を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、隣接する超音波振動子エレメント間の溝の長手方向両側であって振動素子と接触しない位置に強度を維持する硬質の接着剤を充填し、振動素子間に振動減衰材を充填することにより、接着剤が振動素子の振動を規制せず、クロストークや超音波ビームの乱れが発生しなくなる。

この際、接着剤の充填箇所は、クロストークの影響が減少する溝の長手方向両端であることが好ましいが、これに限定されるものではなく、溝の長手方向両側におけるいずれかの箇所であれば所望の効果が期待できる。

なお、本発明は、ラジアル型、コンベックス型、及びリニア型の超音波振動子に共通で用いることが可能であり、多くの超音波内視鏡の性能を高めることが可能である。

図１は、本発明にかかる超音波内視鏡の外観構成を示す。超音波内視鏡１は、体腔内に挿入される細長の挿入部２と、この挿入部２の基端に位置する操作部３と、この操作部３の側部から延出するユニバーサルコード４とで主に構成されている。

ユニバーサルコード４の基端部には、図示しない光源装置に接続される内視鏡コネクタ４ａが設けられている。この内視鏡コネクタ４ａからは図示しないカメラコントロールユニットに電気コネクタ５ａを介して着脱自在に接続される電気ケーブル５及び図示しない超音波観測装置に超音波コネクタ６ａを介して着脱自在に接続される超音波ケーブル６が延出している。

挿入部２は、先端側から順に硬質な樹脂部材で形成した先端硬質部７、この先端硬質部７の後端に位置する湾曲自在な湾曲部８、この湾曲部８の後端に位置して操作部３の先端部に至る細径かつ長尺で可撓性を有する可撓管部９を連設して構成されている。そして、先端硬質部７の先端側には超音波を送受する複数の振動素子を配列した超音波振動子部１０が設けられている。

操作部３には湾曲部８を所望の方向に湾曲制御するアングルノブ１１、送気及び送水操作を行うための送気・送水ボタン１２、吸引操作を行うための吸引ボタン１３、体腔内に導入する処置具の入り口となる処置具挿入口１４等が設けられている。

図２は、図１に示す超音波内視鏡１の先端硬質部７の拡大図である。図２（ａ）は外観斜視図を示し、図２（ｂ）は外観構成図を示す。先端硬質部７の先端には、電子ラジアル型走査を可能にする超音波振動子１０が設けられている。超音波振動子１０は、音響レンズ（超音波送受部）１７を形成した材質で被覆されている。また、先端硬質部７には斜面部７ａが形成されている。斜面部７ａには、観察部位に照明光を照射する照明光学部を構成する照明レンズ１８ｂ、観察部位の光学像を捉える観察光学部を構成する対物レンズ１８ｃ、切除した部位を吸引したり処置具が突出したりする開口である吸引兼鉗子口１８ｄ、送気及び送水するための開口である送気・送水口１８ａが設けてある。

図３は、超音波振動子の製造工程（その１）を示す。同図において、超音波振動子を形成するに際し、まず基板２０、導電体２１、電極２２（２２ａ，２２ｂ）、振動素子（ここでは圧電素子）２３、音響整合層２４（第１音響整合層２４ａ，第２音響整合層２４ｂ）、導電樹脂２５、溝２６から構成される構造体Ａを作製する。それでは、構造体Ａの作製について説明する。

まず、第２音響整合層２４ｂを形成した後に、第１音響整合層２４ａを形成する。次に、例えばダイシングソー（精密裁断機）を用いて、第１音響整合層２４ａに導電性樹脂２５を充填するための溝を形成し、その溝に導電性樹脂２５を流し込む。次に、対向する両主面に電極層２２ａ，２２ｂを形成した振動素子２３を接合する。そして振動素子２３の横に基板２０を取り付ける。基板２０の表面には、電極層２０ａが形成されている。そして、電極２０ａと電極２２ａを電気的に導通させるための導電体２１を取り付ける。

上記ダイシングソーを用いて、形成した構造体Ａに切り込みを入れ、数十μｍ幅の溝（ダイシング溝）２６を一定間隔で複数形成する。この溝幅は、２０〜５０μｍであるのが好ましい。このとき、第２音響整合層２４ｂのみが完全に切断されずに数十μｍ切れ残るように構造体Ａに切り込みを入れるようにする。このような溝２６を例えば約２００個程度、構造体Ａの全体に均一に設ける。ここで、分割した個々の振動子を振動子エレメント２７という。

なお、本実施の形態は２層整合であるので、第1音響整合層２４ａの材料には、アルミナやチタニア（ＴｉＯ₂）などフィラーを含有するエポキシ樹脂を用い、第２音響整合層２４ｂの材料には、フィラーが入っていないエポキシ樹脂を用いるのが好ましい。また、３層整合の場合には、第1音響整合層の材料に、マシナブルセラミックスやフィラーやファイバーを含有するカーボンまたはエポキシ樹脂などを用い、第２音響整合層には、アルミナやチタニアなどフィラーを若干含有（２層整合の場合と比較して含有率が少ない）するエポキシ樹脂を用い、第３音響整合層には、フィラーが入っていないエポキシ樹脂を用いるのが好ましい。

次に、図４（ａ）に示すように、この積層体の側面Ｘ１と側面Ｘ２の面とが向かい合うように、図３で示した構造体Ａを湾曲させて円筒状にしていく。ここで、溝２６の端部から所定距離を隔てた箇所にマスキングテープを貼り、これをマスクとして硬質樹脂２８を溝２６上から擦り付けることにより、溝２６におけるマスキングテープによって覆われていない端部にのみ硬質樹脂２８を充填する（図５参照）。

次に、図４（ｂ）に示すように、環状の構造部材３０（３０ａ）を構造体Ｂの開口部より内側に取り付ける。このとき、構造部材３０ａは、基板２０上に位置するように取り付ける（図７（ａ）参照）。反対側の開口部についても同様に構造部材３０（３０ｂ）を取り付ける。このとき、構造部材３０ｂは導電樹脂２５上に位置するように取り付ける（図７（ａ）参照）。

図５は、図４に示す構造体Ｂに接着剤を充填した状態を模式的に示す拡大図であり、図６は、説明のため平面化した図である。図５及び図６に示すように、接着剤としての硬質樹脂２８は、溝２６内の長手方向両側であって振動素子２３と接触しない位置に充填される。硬質部長が長くなると、超音波内視鏡装置により診療される患者の負担にもなるため、硬質樹脂２８は溝２６の端部にあって、クロストークの影響を低減するには可能な限り振動素子２３と硬質樹脂２８との間隔は長いことが好ましい。また、硬質樹脂２８は、例えば硬質のエポキシ樹脂に粘性を高めるために無機物（炭酸カルシウムやアルミナ）のフィラーを入れたものを用いる。

図７は、図４（ｂ）で示した構造部材３０を取り付けた構造体Ｂの断面を示す。図４（ｂ）で構造部材３０（３０ａ，３０ｂ）を取り付けた（図７（ａ）参照）後、構造部材３０ａ−３０ｂ間をバッキング材４０で充填する（図７（ｂ）参照）。バッキング材には、ゲル状のエポキシ樹脂にアルミナのフィラーを混ぜたものを用いる。その後、導電樹脂２５上に導体（銅線）４１を取り付ける（図７（ｃ）参照）（以下、図７で作成した構造体を構造体Ｃという）。

次に、図４（ｂ）に示すように、円筒表面に音響レンズ１７を形成する。音響レンズ１７は、予め音響レンズ単体で製造していたものを円筒状にした構造体Ａと組み合わせてもよいし、または、円筒状にした構造体Ａを型に入れて音響レンズ材料をその型に流し込んで音響レンズ１７を形成してもよい。なお、音響レンズ１７のうち、実際に音響レンズとして機能するのはレンズ部１７ａである。

次に、図８（ａ）に示すように、構造体Ｃの一方の開口部側（基板２０が設けられている側）から、円筒状の構造部材５０を挿入する。この円筒状構造部材５０は、円筒状部分５３とその一端に設けられている環状の鍔（つば）５２とから構成されている。鍔５２表面にはプリント配線板５４が設けてあり、その表面に数十から数百の電極パッド５１が設けてある。さらに、円筒状構造部材５０内部にはケーブル６２の束が通してあり、そのケーブル６２の先端は、各パッド５１と半田付けされている（電極パッド５１の内側（環の中心方向）にケーブル６２を半田付けして結線する。）。なお、ケーブル６２は、通常はノイズ低減のために同軸ケーブルを用いる。

円筒状構造部材５０は絶縁体材料（例えば、エンジニアリング・プラスチック）で作られている。絶縁体材料としては、例えば、ポリサルフォン、ポリエーテルイミド、ポリフェニレンオキサイド、エポキシ樹脂などがある。円筒部分５３の表面は導電体でメッキされている。こうしてケーブル６２を結線した円筒状構造部材５０を構造体Ｃに挿入すると、構造体Ｃの構造部材３０に円筒状構造部材５０の鍔５２部分が当たって、円筒状構造部材５０の位置が構造体Ｃ内部で固定され、振動子内部で位置決めがされる。

図８（ｂ）は、円筒状構造部材５０が挿入されて位置決めがされた後、電極パッド５１の外側部分（環の外周方向の電極パッド部分）と、振動子エレメント２７の電極２０ａとをワイヤー９０を用いて結線した状態を示す。

図９は、図８（ｂ）で示した電子ラジアル超音波内視鏡の先端の側断面図を示す。上述のように、振動素子２３、バッキング材４０などが設けられている。また、電極パッド５１のうち鍔の中心方向側にケーブル６２が結線されている。電極パッド５１のうち鍔の外周方向側にワイヤー９０の一端が半田１０１で結線され、他端が振動子エレメントの基板２０上にあるシグナル側電極２０ａと半田１０２で結線されている。なお、隣接するシグナル側電極２０ａにワイヤーが接触して短絡しないように短いワイヤー９０を用いて結線する。また、ケーブル６２に負荷がかかることにより引っ張られて、ケーブル６２が電極パッド５１から外れてしまうことを防ぐために、ポッティング樹脂１００でケーブル６２と電極パッド５１との結線部分全体を被覆する。また、構造部材３０ｂの表面には銅箔１０３が成膜されており、さらに、構造部材３０の表面と音響整合層２４及び円筒部材５０の円筒側面は、導電性樹脂（例えば、半田）１０４で結合されている。以上のような構成をしている振動子部分の先端には、先端構造部材１０６が設けられ、内視鏡硬質部７との接続部には、構造部材（蛇管接続部）１０５が設けられている。

以上のように、本実施の形態によれば、隣接する超音波振動子エレメント間の溝の長手方向両側であって振動素子と接触しない位置に硬質樹脂を充填し、上記溝に充填される硬質樹脂と振動素子との間にバッキング材を充填することで、硬質樹脂が振動素子と接触しないため、振動素子の振動を規制しない。また、クロストークも低減できるとともに、全長が２０ｍｍ以下の内視鏡に用いる振動子の機械的強度を持たせることもできる。

また、振動素子の振動を妨げる硬質樹脂が振動素子に接触しないため、超音波ビームの乱れを防ぐことができる。
なお、本実施の形態では、電子ラジアル型超音波振動子を用いて説明を行ったが、振動子が円弧状に配列されるコンベックス型や振動子が直線状に配列されるリニア型であっても同様の構成及び効果となるため説明を省略する。

また、本実施の形態は、振動素子として圧電素子を用いた超音波振動子だけに限らず、静電容量型振動子（ｃ−ＭＵＴ）を用いた電子ラジアル型超音波振動子に対しても適用することが可能である。

本発明における超音波内視鏡の外観構成を示す図である。 図１に示す超音波内視鏡１の先端部硬質部の拡大図である。 超音波振動子の製造工程（その１）を示す図である。 超音波振動子の製造工程（その２）を示す図である。 図３に示す構造体Ａに接着剤を充填した状態を模式的に示す拡大図である。 図３に示す構造体Ａに接着剤を充填した状態を説明のため平面化した図である。 超音波振動子の製造工程（その３）を示す図である。 超音波振動子の製造工程（その４）を示す図である。 図６（ｂ）で示した電子ラジアル超音波内視鏡の先端の側断面図を示す。

符号の説明

１ 超音波内視鏡
２ 挿入部
３ 操作部
４ ユニバーサルコード
４ａ 内視鏡コネクタ
５ 電気ケーブル
５ａ 電気コネクタ
６ 超音波ケーブル
６ａ 超音波コネクタ
７ 先端硬質部
８ 湾曲部
９ 可撓管部
１０ 超音波振動子
１１ アングルノブ
１２ 送気・送水ボタン
１３ 吸引ボタン
１４ 処置具挿入口
１７ 音響レンズ（超音波送受部）
１８ａ 送気・送水口
１８ｂ 照明レンズ
１８ｃ 対物レンズ
１８ｄ 吸引兼鉗子口
２０ 基板
２０ａ 電極層
２１ 導電体
２２（２２ａ，２２ｂ） 電極
２３ 振動素子
２４ 音響整合層
２４ａ 第１音響整合層
２４ｂ 第２音響整合層
２５ 導電樹脂
２６ 溝
２７ 振動子エレメント
２８ 硬質樹脂
３０（３０ａ，３０ｂ） 構造部材
４０ バッキング材
４１ 導体（銅線）
５０ 円筒状構造部材
５１ 電極パッド
５２ 鍔（つば）
５３ 円筒部分
５４ プリント配線板
６２ 同軸ケーブル
９０ ワイヤー
１００ ポッティング樹脂
１０１，１０２ 半田
１０３ 銅箔
１０４ 導電性樹脂
１０５ 構造部材
１０６ 先端構造部材

Claims (6)

1. 超音波を送受する超音波振動子エレメントが複数配列され、音響整合層が積層している超音波振動子において、
   隣接する前記超音波振動子エレメント間の溝の長手方向両側であって振動素子と接触しない位置に接着剤を充填し、
   当該溝に充填された接着剤と前記振動素子との間に振動減衰材を充填することを特徴とする超音波振動子。
2. 請求項１に記載の超音波振動子であって、前記接着剤は、前記溝の長手方向両端に充填されることを特徴とする超音波振動子。
3. 請求項１又は請求項２に記載の超音波振動子であって、前記接着剤は、硬質樹脂であることを特徴とする超音波振動子。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の超音波振動子であって、前記振動減衰材は前記超音波振動子エレメントの背面に充填されるバッキング材であることを特徴とする超音波振動子。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の超音波振動子であって、電子ラジアル型超音波振動子であることを特徴とする超音波振動子。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の超音波振動子を備えたことを特徴とする超音波内視鏡。